Genetika evolusioner manusia

Genetika evolusioner manusia mempelajari bagaimana satu genom manusia berbeda dari genom manusia lainnya; evolusi masa lalu yang memunculkan genom manusia, dan efeknya hingga saat ini. Perbedaan antara genom yang satu dengan yang lain memiliki implikasi dan penerapan secara antropologis, medis, historis dan forensik. Data genetik dapat memberikan wawasan penting mengenai evolusi manusia .

Ahli biologi mengklasifikasikan manusia, bersama dengan hanya beberapa spesies lain, sebagai kera besar (spesies dalam famili Hominidae). Hominidae yang hidup meliputi dua spesies simpanse yang berbeda (bonobo (Pan paniscus), dan simpanse (Pan troglodytes)), dua spesies gorila (gorila barat (Gorilla gorilla), dan gorila timur (Gorilla graueri)), dan dua spesies orangutan (Orangutan Kalimantan (Pongo pygmaeus), dan Orangutan Sumatera (Pongo abelii)). Kera besar dengan famili Hylobatidae, yaitu owa, membentuk superfamili Hominoidea dari keluarga kera.

Kera termasuk dalam ordo primata yang terdiri dari 400 spesies, bersama dengan monyet Dunia Lama, monyet Dunia Baru, dan lainnya. Data dari DNA mitokondria (mtDNA) dan DNA inti (nDNA) menunjukkan bahwa primata termasuk dalam kelompok Euarchontoglires, bersama dengan Rodentia, Lagomorpha, Dermoptera, dan Scandentia.^[1] Hal ini selanjutnya didukung oleh elemen nuklir pendek diselingi (SINEs) serupa Alu yang hanya ditemukan pada anggota Euarchontoglires.^[2]

Sebuah pohon filogenetik biasanya diturunkan dari pengurutan DNA atau protein DNA dari suatu populasi. Seringkali urutan DNA mitokondria atau kromosom Y juga digunakan untuk mempelajari demografi manusia purba. Sumber DNA lokus tunggal ini tidak bergabung kembali dan hampir selalu diwarisi dari induk tunggal, dengan hanya satu pengecualian yang diketahui dalam mtDNA.^[3] Individu dari wilayah geografis yang lebih dekat umumnya cenderung lebih mirip daripada individu dari wilayah yang lebih jauh. Jarak pada pohon filogenetik dapat digunakan kira-kira untuk menunjukkan:

• Jarak genetik. Perbedaan genetik antara manusia dan simpanse kurang dari 2%,^[4] atau tiga kali lebih besar dari variasi di antara manusia modern (diperkirakan 0,6%).^[5]
• Keterpencilan temporal dari nenek moyang yang paling baru. Mitokondria nenek moyang manusia modern yang paling baru diperkirakan hidup kira-kira 160.000 tahun yang lalu,^[6] nenek moyang bersama manusia dan simpanse yang terakhir kira-kira 5 sampai 6 juta tahun yang lalu.^[7]

Seperti yang telah diketahui sebelumnya, bagian yang berbeda dari genom menunjukkan perbedaan urutan gen yang memisahkan antara hominoid yang berbeda. Juga telah ditunjukkan bahwa perbedaan urutan antara DNA dari manusia dan simpanse sangat bervariasi. Misal, divergensi urutan gen dapat bervariasi antara 0% hingga 2,66% antara wilayah genomik non-coding dan yang tidak berulang antara manusia dan simpanse.^[8] Persentase nukleotida dalam genom manusia yang memiliki kecocokan persis dalam genom simpanse adalah 84,38%. Selain itu, pada pohon gen, yang dihasilkan oleh analisis komparatif segmen DNA, tidak selalu cocok dengan pohon spesies, sehingga dapat disimpulkan:

• Divergensi urutan gen bervariasi secara signifikan antara manusia, simpanse, dan gorila.
• Untuk sebagian besar urutan DNA, manusia dan simpanse tampaknya paling dekat kekerabatannya, tetapi beberapa menunjukkan klad manusia-gorila atau simpanse-gorila.
• Genom manusia telah diurutkan sepenuhnya, begitu juga genom simpanse. Manusia memiliki 23 pasang kromosom, sedangkan simpanse, gorila, dan orangutan memiliki 24 pasang. Kromosom 2 manusia merupakan peleburan dua kromosom 2a dan 2b yang tetap terpisah pada primata lainnya.^[9]

Kapan manusia dan kera lain mulai memisah atau berdivergensi adalah sebuah topik utama dari genetika evolusioner manusia. Salah satu studi molekuler pertama, yang diterbitkan pada tahun 1967 mengukur jarak imunologis (ID) antara primata yang berbeda.^[10] Pada dasarnya penelitian ini mengukur kekuatan respon imunologi yang diinduksi antigen dari satu spesies (albumin manusia) ke dalam sistem kekebalan spesies lain (manusia, simpanse, gorila, dan monyet Dunia Lama). Spesies yang berkerabat dekat harus memiliki antigen yang serupa dan ditunjukkan oleh respons imunologis yang lebih lemah terhadap antigen satu sama lain. Respon imunologi suatu spesies terhadap antigennya sendiri (misalnya manusia ke manusia) ditetapkan sebagai konstanta 1.

Jarak imunologis antara manusia dan gorila ditetapkan menjadi 1,09, sedangkan antara manusia dan simpanse ditetapkan sebagai 1,14. Namun jarak ke enam monyet Dunia Lama yang berbeda rata-rata 2,46, menunjukkan bahwa kera Afrika lebih dekat hubungannya dengan manusia daripada monyet. Para penulis menganggap perbedaan masa divergensi antara monyet Dunia Lama dan hominoid adalah 30 juta tahun yang lalu, berdasarkan data fosil, dan jarak imunologis dianggap berkembang pada laju yang konstan. Mereka menyimpulkan bahwa masa divergensi manusia dan kera Afrika kira-kira ~5 juta tahun yang lalu. Angka ini dianggap hasil yang mengejutkan karena sebagian besar ilmuwan pada masa itu (tahun 1960-an) berpikir bahwa manusia dan kera besar menyimpang jauh lebih awal (>15 juta tahun yang lalu).

Sedangkan gorila, dalam perihal jarak imunologis, lebih dekat dengan manusia daripada simpanse; namun, perbedaannya sangat tipis sehingga trikotomi tidak dapat disimpulkan dengan tepat. Studi selanjutnya berdasarkan genetika molekuler mampu menyimpulkan trikotomi tersebut: simpanse secara filogenetis lebih dekat dengan manusia daripada gorila. Namun, beberapa masa divergensi yang diperkirakan setelahnya (menggunakan metode genetika molekuler yang jauh lebih canggih) tidak secara substansial berbeda dari perkiraan pertama yang didapatkan pada tahun 1967, tetapi sebuah makalah baru-baru ini menempatkannya pada 11–14 juta tahun yang lalu.^[11]

Urutan genom manusia dan simpanse yang dapat disejajarkan terlihat berbeda sekitar 35 juta substitusi nukleotida tunggal. Selain itu sekitar 3% dari genom lengkap berbeda akibat terjadinya penghapusan, penyisipan, dan duplikasi gen sepanjang proses evolusi.^[12]

Karena tingkat mutasi relatif konstan, kira-kira setengah dari perubahan ini terjadi pada garis keturunan manusia. Hanya sebagian kecil dari berbagai perbedaan tetap itu yang memunculkan fenotipe berbeda dari manusia dan simpanse, dan mencarinya menjadi sebuah tantangan besar. Sebagian besar perbedaan bersifat netral dan tidak mempengaruhi fenotipe.^{[butuh rujukan]}

Evolusi molekuler dapat bertindak dengan cara yang berbeda, melalui evolusi protein, kehilangan gen, regulasi gen diferensial, dan evolusi RNA. Semua disumsikan memiliki peran yang cukup signifikan dalam evolusi manusia.

Berbagai mutasi yang berbeda dapat menonaktifkan gen, tetapi sedikit dari mereka mengalami perubahan fungsi yang spesifik. Mutasi yang bersifat inaktivasi akan tersedia bagi seleksi alam untuk "ditindak". Kehilangan gen bisa menjadi mekanisme umum adaptasi evolusioner (hipotesis "less is more").^[13]

80 gen telah hilang dalam garis keturunan manusia setelah berpisah dari nenek moyang terakhir bersama dengan simpanse. 36 diantaranya adalah reseptor olfaktori, yang bertindak dalam indra pengendusan. Gen yang hilang yang terlibat dalam kemoresepsi dan respon imun terlihat dengan jelas.^[14] Studi lainnya memperkirakan 86 gen yang telah hilang.^[15]

Satu gen untuk keratin rambut tipe I telah hilang dalam garis keturunan manusia. Keratin adalah komponen utama rambut. Manusia masih memiliki sembilan gen keratin rambut tipe I yang berfungsi, namun kehilangan satu gen yang dimaksud tersebut telah menyebabkan menipisnya rambut manusia di seluruh tubuh. Berdasarkan asumsi jam molekular konstan, sebuah studi memprediksi hilangnya gen tersebut adalah belum terlalu lama, yaitu kurang dari 240 000 tahun yang lalu, namun pengurutan terhadap gen Neandertal Vindija dan Denisovan ternyata telah memiliki kodon henti prematur yang serupa dengan manusia modern sehingga masa yang tepat seharusnya adalah tidak kurang dari 750 000 tahun yang lalu.^[16]

Stedman et al. (2004) menyatakan bahwa hilangnya gen miosin sarkomer MYH16 dalam garis keturunan manusia memicu terbentuknya otot rahang pengunyah yang lebih kecil. Mereka memperkirakan bahwa mutasi yang memicu inaktivasi hal tersebut (penghapusan dua pasang basa) terjadi 2.4 juta tahun yang lalu, mendahului keberadaan spesies Homo ergaster/erectus di Afrika. Periode setelah masa itu kemudian ditandai dengan peningkatan kapasitas tengkorak yang signifikan, sehingga memunculkan spekulasi bahwa hilangnya gen ini telah menghilangkan hambatan evolusioner mengenai ukuran otak pada genus Homo.^[17]

Perkiraan lainnya mengenai kapan gen MYH16 hilang adalah 5.3 juta tahun yang lalu, jauh sebelum genus Homo hadir.^[18]

CASPASE12, sebuah proteinase aspartat sisteinil. Hilangnya gen ini diperkirakan telah mengurangi dampak mematikan dari infeksi bakteri di dalam tubuh manusia.^[14]

Ketika genom manusia dibandingkan dengan genom lima spesies primata lainnya (simpanse, gorila, orangutan, ungka, dan makaka), diketahui bahwa terdapat sekitar 20 000 penyisipan gen yang dipercaya memberi dampak signifikan terhadap perbedaan antara manusia dan primata lainnya. Sebagian besar terlihat tidak menghasilkan perbedaan fisik yang mencolok, sejumlah kecil diidentifikasi memiliki keterkaitan positif dengan fenotipe syaraf dan sebagian lain terkait dengan fenotipe bentuk gigi (dental) dan persepsi indra. Penemuan ini mengindikasikan peran penting penyisipan gen spesifik dalam evolusi manusia.^[19]

"Bagian yang mempercepat manusia" (Human accelerated regions) adalah bagian genom yang berbeda antara manusia dan simpanse pada tingkat yang lebih besar daripada yang dapat dijelaskan oleh pergeseran genetik dari waktu ke waktu di mana kedua spesies memiliki nenek moyang yang sama. Bagian-bagian ini menunjukkan tanda-tanda telah menjadi subjek seleksi alam, yang mengarah pada evolusi yang membentuk ciri khas manusia. Dua contoh di antaranya adalah HAR1F, yang diyakini terkait dengan perkembangan otak, dan HAR2 (alias HACNS1) yang mungkin berperan dalam perkembangan ibu jari yang berlawanan.

Juga telah dihipotesiskan bahwa banyak perbedaan antara manusia dan simpanse disebabkan oleh pengaturan ekspresi gen daripada perbedaan dalam gen itu sendiri. Analisis urutan gen non-pengkodean yang bertahan, yang sering kali mengandung bagian pengaturan fungsional dan dengan demikian dipilih secara positif, dapat menjelaskan kemungkinan akan hal ini.^[20]

Ketika naskah awal publikasi mengenai hasil pengurutan genom simpanse (Pan troglodytes) dipublikasikan pada tahun 2005, sekitar 2400 juta basa gen telah diurutkan dan disusun dengan cukup baik untuk dapat dibandingkan dengan genom manusia.^[12] Sebuah karya tulis ilmiah meneliti penggandaan segmental pada dua genom, yang perbedaannya didapatkan melalui penyisipan dan penghapusan gen berkontribusi cukup banyak terhadap analisis hasil pengurutan indel keduanya. Mereka menemukan total 2.7 persen hasil pengurutan eukromatik telah terduplikasi secara diferensial pada salah satu garis keturunan.^[21]

Divergensi urutan genom secara umum telah menghasilkan kesimpulan bahwa manusia dan simpanse lebih berkerabat dibandingkan manusia dan gorila, dan manusia dan gorila lebih berkerabat dibandingkan manusia dan orangutan. Elemen alu telah bercabang secara cepat dikarenakan jumlah dinukelotida CpG mereka yang besar yang dapat bermutasi sepuluh kali lebih cepat jika dibandingkan dengan nukleotida biasa di dalam genom. Laju mutasi lebih tinggi pada garis benih laki-laki, sehingga divergensi di dalam kromosom Y, yang hanya dapat diwariskan dari keturunan laki-laki, akan lebih besar dibandingkan dengan autosom. Kromosom X diwariskan dua kali lebih sering melalui garis keturunan perempuan sehingga akan menunjukkan divergensi urutan genom yang sedikit lebih rendah. Divergensi urutan genom antara manusia dan kera di dalam wilayah genom Xq13.3 tampak lebih rendah dari dugaan.^[22] Mutasi yang mempengaruhi urutan protein asam amino adalah yang paling sedikit terjadi. Perbedaan protein yang ada umumnya hanya berbeda dua asam amino saja.^[12]

Kelompok ilmuwan internasional telah menyelesaikan naskah awal publikasi mengenai genom Neanderthal di bulan Mei tahun 2010. Hasilnya mengindikasikan perkawinan silang antara Neanderthal dan manusia modern, karena genom manusia non-afrika memiliki kesamaan dengan Neanderthal sebesar 1-4% lebih banyak dibandingkan dengan genom manusia Afrika subsahara. Neanderthal dan sebagian besar manusia modern memiliki varian dari intoleransi laktosa dari gen laktase yang mengkodekan enzim yang tidak dapat memecah laktosa di dalam susu setelah masa menyusui berakhir. Manusia modern dan Neanderthal juga memiliki varian gen FOXP2 yang terkait dengan perkembangan otak dan kemampuan bicara, mengindikasikan bahwa Neanderthal mungkin dapat berbicara. Simpanse memiliki perbedaan dua asam amino pada gen FOXP2 jika dibandingkan dengan manusia dan Neanderthal.^[23][24][25]

Homo sapiens diperkirakan mulai muncul sekitar 300 000 tahun yang lalu. Mereka menyebar ke seantero Afrika dan melakukan migrasi pantai menuju Eurasia dan Oseania sekitar 70 000 tahun yang lalu. Sebuah studi yang dipublikasikan tahun 2009 mengidentifikasi 14 gugus populasi leluhur manusia, di mana yang paling terpencil adalah Orang San di selatan Afrika.^[26][27]

Dengan ekspansi yang cepat di seluruh zona iklim yang berbeda, dan ketersediaan sumber makanan baru yang didukungdomestikasi hewan dan revolusi pertanian Neolitikum, populasi manusia telah secara signifikan terpapar tekanan selektif sejak upaya penyebaran mereka. Contoh orang Asia Timur dan ras Kaukasia dipisahkan oleh sejumlah alel yang terkonsentrasi yang mengindikasikan terjadinya tekanan seleksi. Konsentrasi alel yang dimaksud diantaranya gen EDAR, ADH1B, ABCC1, dan ALDH2, Gen ADH1B secara khusus terkait dengan populasi manusia yang mendomestikasi Oryza sativa sehingga diperkirakan muncul sekitar 10 000 tahun yang lalu ketika domestikasi padi dimulai.^[28] Beberapa sifat fenotipik yang mencirikan orang Asia Timur, secara spesifik mutasi yang mempengaruhi kelenjar keringat, sistem pergigian, ketebalan rambut, dan jaringan payudara, diakibatkan oleh mutasi tunggal gen EDAR sekitar 35 000 tahun yang lalu.^[29]

Sejak tahun 2017, Basis Data Polimorfisme Nukleotida Tunggal (dbSNP), yang memuat daftar gen SNP dan varian lainnya, mencatat 324 juta varian ditemukan dalam urutan genom manusia.^[30] Keanekaragaman nukleotida, yaitu rata-rata perbandingan nukleotida yang berbeda di antara dua individu, diperkirakan berada dalam angka antara 0.1% hingga 0.4% untuk manusia modern, jauh di bawah perbedaan antara manusia modern dan simpanse yang dapat mencapai 2%.^[31][32] Angka yang kecil ini mewakili perbedaan pada beberapa juta lokasi gen saja. Proyek 1000 Genom juga menyimpulkan hal yang tidak berbeda, yaitu 4.1 hingga 5 juta lokasi, setara dengan sekitar 20 juta basa nukleotida.^[33]

Pada Februari 2019, sebuah studi genetika yang dilakukan menggunakan kecerdasan buatan menemukan bahwa kemungkinan ada spesies manusia purba lain, selain yang sudah diketahui (Neanderthal, Denisovan, dsb), yang bercampur dengan genom manusia modern.^[34][35]

• Jobling, Mark A.; Hollox, Edward; Hurles, Matthew; Kivisild, Toomas; Tyler-Smith, Chris (2013). Human Evolutionary Genetics. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4148-2. OCLC 829099073. 
• Rannala B, Yang Z (August 2003). "Bayes estimation of species divergence times and ancestral population sizes using DNA sequences from multiple loci". Genetics. 164 (4): 1645–56. doi:10.1093/genetics/164.4.1645. PMC 1462670 . PMID 12930768. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-12-04. Diakses tanggal 2022-10-06. 

• Human Ancestors May Have Interbred With Chimpanzees Diarsipkan 2023-03-21 di Wayback Machine.